工程实践与科技创新 3A.docx
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工程实践与科技创新3A
摘要:
这篇报告主要是关于单片机控制、采样的开关稳压电源系统。
主要阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计,并分为DC—DC变换、单片机控制输出电压、单片机闭环参与控制DC—DC的输出。
本报告也包括了电路参数的选取,硬件的工作原理和软件的编程思想,系统测试结果,使用说明,实验心得,实物照片和实验中遇到的问题等。
关键词:
DC-DC开关电源,开环控制,闭环控制,ATmega16单片机,A/D转换,有源低通滤波器
ABSTRACT
Thisreportmainlydealswithpowersupplysystemwithsinglechipmicrosystemcontrolledandsampled.
ThewholesystemconsistsofDC-DCswitchpowersupplymicrosystem,singlechipmicrosystem,,voltage-controlledmicrosystem,voltagemeasuremicrosystemandsoon.Thisreportdetailsinthedesignmethodofeverysubsystem,hardwareprinciplesandsoftwarealgorithm,alongwiththeresultofthetestofthesystem,user’sinstructions,difficultiesduringtheexperiment,etc.
KEYWORDS
DC-DCswitchpowersupply,open-loopcontrol,close-loopcontrol,
ATmega16singlechip,A/Dconvertor,LiquidPressurelowpassFilter
1.概述
1.1编写说明
本报告为上海交通大学电子信息与电气工程学院工程实践与科技创新3A课程降压型DC-DC开关电源及其控制系统的设计报告。
本报告主要内容包括DC-DC开关稳压电源模块、电压控制模块、电压检测模块、单片机小系统软件等部分的设计过程、调试过程以及使用说明。
本报告旨在全面记录本实验小组的设计思路和实验过程,经验总结和心得体会,供指导教师在检查评分时参考,也可作为与同学交流沟通的书面材料。
本报告适合电类专业人士以及有一定理论基础的业余爱好者阅读。
1.2名词定义
单片机:
一块集成了一个简单的计算机系统的芯片。
包括CPU、RAM、ROM、输入/输出设备的一块集成电路;
单片机小系统:
以单片机位核心,通过晶振、存储芯片、输入输出扩展等使之能够完成逻辑功能的一块电路板系统;
开环:
输出对输入不产生反馈作用的工作方式;
闭环:
输出对输入施加反馈作用的工作方式,在此方式下,可以使系统输出更稳定;
PWM信号:
脉冲宽度调制信号。
脉冲信号的占空比受到调制的一种信号;
A/D转换:
模数转换,既将一个模拟信号转换成一个数字信号;
纹波:
叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号,用峰峰值Vp-p表示;
过流保护:
设定系统电流上限,防止功耗过大,导致元件损坏。
电气隔离:
两部分支路无电气上的直接联系,使相互间的干扰降到最小;
开关频率:
开关电源中,开关管导通的频率。
1.3硬件开发环境
表1硬件开发环境
开发工具
运行环境
直流稳压电源
220V交流电
数字万用表
示波器
220V交流电
电源引线4根
示波器探头1根
镊子、剪刀、斜口钳、螺丝刀、电烙铁
1.4软件开发环境
表2软件开发环境
软件名称
运行环境
AVRStudio4
WindowsXP
MicrosoftExcel
WindowsXP
Progisp
WindowsXP
1.5缩略语
DC-DC:
Direct-Current-Direct-Current
直流-直流转换器。
将直流输入信号转换为需要输出大小的直流信号。
PWM:
PulseWidthModulation
脉冲宽度调制。
指一定频率的占空比可变方波信号。
ADC:
AnalogtoDigitalConverter
模拟数字信号转换器。
用于将模拟信号按照一定速度转换为数字信号。
LPF:
lowpassfilter
低通滤波器。
2.系统总述
2.1系统组成
图1系统组成示意图[3]
本次实验内容为降压型DC-DC开关电源,分别由DC-DC开关稳压电源、电压控制、电压测量与单片机四个子系统组成。
四个子系统关系如图1所示,单片机通过扁平电缆输出PWM波,经电压控制子系统处理,通过光电耦合器件4n25控制开关电源的输出电压;电压测量子系统同样通过4n25与开关电源子系统连接,它对输出电压进行采样并处理后经扁平电缆反馈给单片机。
2.1.1DC-DC开关电源子系统
本系统是DC-DC开关电源子系统。
从图2可以知道整个系统由20V-30V的电源给其供电,能够通过调节滑动变阻器输出稳定的5V-10V电压。
其大致原理是,系统通过接收电压控制子系统的不同占空比的PWM波形,控制开关三极管在一个周期中的通断时间,从而控制给后面连接的电容的充电时间,控制电容两端电压,把不稳定的电压转换为可控的稳定电压。
该子系统以TL494为核心元件,三极管Tip42为开关,通过开关的通断产生带有可控纹波的稳定电压,通过调节可调电阻即可得到5~10V的输出。
图2DC-DC开关电源部分[2]
2.1.2电压控制子系统:
电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波,然后通过LPF转换成直流信号,信号的强度与占空比成正比,再通过电气隔离元件与开关电源子系统连接,实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压,从而对输出电压进行控制。
该子系统由整形、有源低通滤波、信号隔离变换与基准电源4个电路模块组成。
图3电压控制部分[3]
2.1.3电压测量子系统:
电压测量子系统为电压跟随器,以LM741为核心,将采到的电压信号经过分压,再通过电压跟随器输入到单片机ADC端口,与基准电压的ADC比较得到差值,即为输出与期望的差值,作为闭环部分的反馈信号输入至单片机系统。
图4电压测量子系统[3]
2.1.4单片机子系统:
本系统是开关电源的指挥中心。
它可以通过编程发出任意占空比的PWM波。
它把电压检测子系统送过来的数字信号,经过处理获知当前的输出电压,并与用户的设置值相比较,如果有误差,就通过修改发出的PWM波的占空比将误差消除。
电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波,将占空比的变化转化为电压的变化,并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接,实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压,从而对输出电压进行控制。
单片机小系统还提供了用户交互界面,包括数码管显示与按键控制。
2.2系统的主要功能
2.2.1DC-DC开关电源模块
TL494在工作时内部会产生一个固有的电压Vref,输出的电压反馈与固有电压产生差值经过误差放大,改变输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压就可改变PMW的占空比,使得输入电压在20V到30V之间变化时,输出电压为一稳定值,调节滑动变阻器,可以使得输出电压在5V到10V之间变化。
2.2.2输出电压控制模块
单片机产生的PWM信号做傅里叶级数展开之后是一个个次数、频率、幅度不同的正弦波的叠加。
通过低通滤波器转换为输出直流,从而达到控制开关电源输出电压的目的。
2.2.3输出电压测量模块
DC-DC的输出作为AD模块的输入电压,AD采集过输入信号后,立即反馈到单片机,单片机对当前的电压值与预设值相比较控制PWM输出,从而实现闭环控制。
2.2.4单片机PWM输出子系统
单片机PWM输出子系统主要的功能是通过程序控制输出PWM波,从而达到控制输出电压的目的。
同时在电压测量环节中,单片机通过比较实测编码值与预设编码值从而改变输出的PWM波,控制输出电压稳定。
3.DC-DC开关稳压电源模块的设计
3.1主要功能与设计指标
3.1.1主要功能
降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V直流电压变换为5~10V稳定可调的直流电压输出。
此模块既可单独工作,也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接,实现开环、闭环功能。
单独工作时,用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。
3.1.2设计指标
表3降压型DC-DC开关电源子系统设计指标
项目
指标
输入直流电压
20V~30V
输出直流电压
5~10V
额定输出电流
1A
限流值
1.1A
电压调整率
<0.5%
电流调整率
1%
输出电压纹波
100mVp-p
效率
65%
截止电流值
1.2A
3.2设计原理
开关电源的原理如图5所示,TL494产生脉冲宽度调制信号(PWM),加在开关三极管基极上,控制开关三极管的导通与否。
PWM信号的占空比和频率由TL494及其外围电路控制。
当PWM信号为高电平时,三极管导通,电源电压Vin对储能电感充电,此时由于二极管两端为反向电压,因此处于截止状态,从而导致负载电阻RL两端电压上升。
当PWM信号为低电平时,三极管断开,此时二极管两端变为正向电压,处于导通状态,从而电感通过二极管放电。
使得电感中的电能不断减小,RL两端电压逐渐下降。
当三极管的导通频率足够高时,就能够使负载电阻RL两端输出电压在较小的范围内,产生很小的纹波,从而保持输出电压的稳定。
图5TL494输出的PWM波形
3.3主要电路和参数设计
3.3.1外围电路设计图
图6降压型DC-DC开关电源子系统电路图[1]
3.3.2核心芯片TL494简介
图7TL494的内部结构图[2]
TL494的内部结构与工作原理如图7所示。
Vref基准电压,经过分压后从1IN-端输入误差放大器1(ErrorAmplifier1),输出电压的采样值(单片机开环电压控制部分输出的电压)从1IN+端输入。
误差放大器1将两者进行比较,当采样电压大于基准电压时,其输出端对VA进行充电,使VA的电压不断升高;当采样电压小于基准电压时,V通过恒流源放电,从而VA的电压不断下降。
而VA的变化会引起PWM比较器(PWMComparator)判决门限的改变,使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。
TL494还另外引入了两个关断条件。
一是DTC端口连接的Dead-TimeControlComparator,可防止开关管常开,保证在1个开关周期里至少有Dead-Time时间是关断的。
另一个是误差放大器2,它能起到输出过流保护的作用,输出电流采样值从2IN+端输入,原理与误差放大器1类似。
TL494的管脚图见图8:
图8TL494管脚定义图
1:
[1IN+]第一个运放的正输入端
2:
[1IN-]第一个运放的负输入端
3:
[FEEDBACK] 运放的反馈端
4:
[DTC] 死区时间控制端
5:
[CT] 内部振荡器接电容端
6:
[RT] 内部振荡器接电阻端
7:
[GND] 接地端
8:
[C1] 第一个输出三极管的集电极
9:
[E1] 第一个输出三极管的发射极
10:
[E2] 第二个输出三极管的发射极
11:
[C2] 第二个输出三极管的集电极
12:
[Vcc] 工作电源输入端
13:
[OUTPUTCTRL] 输出控制端
14:
[REF] 基准电压输出端Vref
15:
[2IN-] 第二个运放的正输入端
16:
[2IN+] 第二个运放的负输入端
3.3.3参数设计
3.3.3.1元件参数列表
表4降压型开关子系统元件参数表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
C1
100μF
R3
51KΩ
R10
0.1Ω
C2
0.1μF
R4
1MΩ
R11
5.1KΩ
C3
1000pF
R5
5.1KΩ
R12
0~22KΩ
C4
470μF
R6
6.8KΩ
R13
5.1KΩ
C5
100μF
R7
6.8KΩ
R14
0~100Ω
R1
390Ω
R8
3.9KΩ
RL
10Ω
R2
51Ω
R9
165Ω
3.3.3.2元件参数设计
(1)工作频率的确定(C3、R7)
开关电源的工作频率(PWM波的频率,即三极管开、关的频率)是由TL494芯片5号管脚上的电容C3和6号管脚上的电阻R7决定的,其关系为:
增大工作频率可减小纹波幅度,但同时也会降低效率。
我们组确定工作频率为
(2)三极管基极电阻R1、R2的选取
适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值,可降低开关管饱和导通深度,降低开关状态切换速率,可减小在开关瞬间电感漏感产生的涡流引起的开关瞬间噪声,即减小纹波的毛刺,但是矛盾的是R1、R2的增大会导致系统效率的下降。
因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。
最终,我们组选择R1为390Ω,R2为51Ω。
(3)输出电压采样网络的设计
图9误差放大器1外围电路分析[2]
由图9可以看到输出电压Vout经R11、R12、R13以及R14组成的串联分压网络分压后,从误差放大器1同相输入端输入,并与Vref经R5、R8的分压进行比较,由于放大器两输入端电势差约等于0,所以得到如下等式:
本次实验中电阻R11和R13给定为5.1kΩ。
经过计算,我们组选择R5为5.1KΩ,R8为3.9KΩ。
(4)误差放大器反馈网络的原理
误差放大器反馈网络的参数中,R4决定误差放大器的增益倍数,从而对电压调整率造成影响,而C2和R3组成的串联支路可抑制高频增益,防止误差放大器产生自激振荡。
取R4=1MΩ,R5=5.1KΩ,这时反馈增益为:
增益=R4/R5=1MΩ/5.1KΩ=196
(5)电流采样电阻网络的选取:
图10限流保护电路原理图[5]
图10说明了系统限流保护的原理,若误差放大器的反相输入端电压值大于或等于正相输入端电压值,系统将进行输出过流保护。
设限流值为I,则电阻网络应满足:
其中I=1.1A,R10=0.1Ω,计算可得R6,R9的电阻值。
我们组选择R6为6.8KΩ,R9为165Ω。
3.4专项讨论
3.4.1纹波的抑制[2]
(1)增大储能电感值。
该方法效果不明显,因为电感的取值范围较小,且增大电感值易产生磁饱和现象。
较严重磁饱和,可减少线圈匝数,或在E、I磁芯接触面加间隙(垫入纸片)。
(2)增大开关频率,减小R7,C3。
此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁,从而显著降低纹波峰峰值。
但若三极管开关过于频繁,就会增加开关管上的能耗,会使效率降低。
(3)减小开关管饱和导通深度。
适当增大
,可以降低开关管饱和导通深度,有效压制开关瞬间噪声,但会使开关状态变长,开关管能耗升高,降低效率。
(4)增大滤波电容
,此方法效果不明显,且电容占用大量空间,是非常不经济的做法。
3.4.2效率的提高
由上述分析可知,效率与频率是一对相互制约的矛盾量,因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。
将3.4.1节所述措施
(1)、
(2)、(3)的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。
4.用单片机控制DC-DC开关电源输出电压
4.1单片机控制系统整体方案
4.1.1单片机小系统
本实验使用AVRATmega16单片机,这款单片机具有高性能、低功耗的特点。
ATmega16有16KB
的程序存储空间,1KB内部SRAM,512B内置EEPROM。
外部共有32个GPIO,一路USART,一路主从SPI,一路I2C,两个8位定时器,一个16位定时器,4通道PWM输出,8路10位AD输入。
本报告就所用到的资源做简单讲解。
4.1.1.1I/O端口
AVRATmega16单片机共有4个8位可编程I/O端口,每个端口都有三个I/O存储器地址:
数据寄存器-PORTx、数据方向寄存器-DDRx和端口输入引脚-PINx。
数据寄存器和数据方向寄存器为读/写寄存器,端口输入引脚为只读寄存器。
。
每个端口可用作独立的输入输出引脚来使用,部分端口还能作为单片机其他模块(如A/D模块、计数器)的输入输出引脚使用。
4.1.1.216位定时/计数器
AVRATmega16单片机拥有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。
每个定时器/计数器都可以工作在多种模式,实验中用到了普通模式和快速PWM模式这两种。
1.普通模式
以定时器/计数器0(8位)为例,在此模式下计数器不断累加,当达到8位的最大值(TOP=OxFF)后,计数值溢出,并从最小值Ox00开始重新计数。
在溢出的同时,定时器/计数器0的溢出中断标志位TOV0置位,用户可利用此标志位控制程序产生中断。
在中断程序中,用户也可以定义计数器0的计数初值来改变中断周期。
2.快速PWM模式
ATmega16单片机自带PWM波的产生模式,用户只需要设定定时器/计数器的寄存器值,就能快速地得到不同占空比的PWM波,而不再需要对中断进行繁琐的操作了。
以定时器/计数器1(16位)为例,在此模式下,计数器从BOTTOM值计数到TOP值,然后立即回到BOTTOM重新开始。
对于普通的比较输出模式,输出比较引脚OC1x(PWM波从此引脚输出)在计数寄存器TCNT1与比较匹配寄存器OCR1x匹配时置位,在TOP时清零。
TOP值可固定地设为Ox00FF、Ox01FF或Ox03FF,也可由ICR1定义。
不同的OCR1x和ICR1组合可以产生不同频率和占空比的PWM波。
同样,当计数器计到TOP或OCR1x时,用户可通过中断标志位产生中断。
图11快速PWM模式时序图
4.1.1.3A/D转换
ATmega16单片机提供了8路复用的单端输入通道,7路差分输入通道,以及2路可选增益为10倍与200倍的差分输入通道,参考电压为2.56V。
对寄存器ADCSRA写入值之后,可以启动一次模数转换,普通情况下转换时间为13个时钟周期,转换结果为十位,保存在ADCH和ADCL两个寄存器中,由程序读取。
4.1.1.47段数码管及按键
ATmega16还提供了4位七段数码管显示器,4个输入按键以及1个重置按键。
4个按键分别连接I/O口的PC4~PC7供用户使用。
4.1.2资源分配
1.定时器/计数器0产生5ms中断,供程序调用中断服务子程序;
2.定时器/计数器1产生占空比可调的PWM信号,由I/O端口PD5输出;
3.A/D转换采用I/O端口PA0接输入电压;
4.按键1~4分别为开闭环模式切换,电压+1,电压+0.1,电压0.1;
5.数码管显示工作模式以及设定电压值。
4.1.3软件总体结构和功能
4.1.3.1软件结构框图
图12软件结构框图
4.1.3.2软件功能模块列表
(1)系统初始化模块
(2)按键消抖及功能定义模块
(3)ADC采样模块
(4)ADC采样平均模块
(5)ADC采样比较模块
(6)寻找ADC及PWM标准值模块(供小组在制作过程中使用)
4.1.3.3重要的全局变量
//数码管位和指示灯显示数据变量
unsignedcharoutput_sel;
//数码管段显示数据变量
unsignedcharoutput_8seg;
//开闭环切换标志
unsignedcharvolatileworkmode;
//pwm值修改标志
unsignedcharvolatilechanged;
//指示灯驱动信号输出缓存
unsignedcharled1,led2,led3,led4;
//数码管扫描驱动指针
unsignedchardigi_scaner;
//输出电压(50-100)
unsignedintvolatilevout;
//按键消抖计数器
unsignedintvolatilecounter;
//测试用计数值十进制表示
unsignedcharvolatiledigi[4];
//ADC数据采集队列
unsignedintvolatileSampleQueue[50];
//ADC数据采集队列指针
unsignedintvolatileptr=0;
//ADC数据平均值
unsignedintSampleAverage;
//闭环控制延时计数器
unsignedintvolatilecmp_delay;
//闭环控制比较标志
unsignedcharvolatilecmp_flag;
unsignedcharvolatileadc_flag;
4.1.3.4软件功能模块描述
4.1.3.4.1系统初始化模块描述
//stoperrantinterruptsuntilsetup
cli();//disableallinterrupts
port_init();//端口初始化
timer0_init();//5ms定时器初始化
timer1_init();//timer1初始化(用于产生pwm波)
adc_init();//采样队列初始化、选定端口及基准电压
MCUCR=0x00;
GICR=0x00;
TIMSK=0x01;//timerinterruptsources,modify2012-3-29:
i.e.timer0overflow
sei();//re-enableinterrupts
//allperipheralsarenowinitialized
4.1.3.4.2按键消抖及功能定义模块描述
在5ms定时器中添加计数器counter,当计数器计到某一值时执行对应按键的操作,从而实现按键消抖;从左往右按键功能依次为:
开闭环工作模式切换,电压值+1,电压值+0.1,电压值-0.1。
4.1.3.4.3ADC采样模块描述
将每次采样得到的值存入数据采集队列中,并将队列指针移到下一个,将ADC控制标志置1
4.1.3.4.4ADC采样平均模块描述(数字滤波器实现)
将采样队列(长度为50)累加之后求平均值作为当前的采样值,执行50个采样周期执行比较
4.1.3.4.5ADC采样比较模块描述
对应代码
voidCompare(void)
{
if(SampleAverage>Sample[vout-49])
{
if((SampleAverage-Sample[vout-49])>100)pulsewidth[vout-49]-=20;
elseif((SampleAverage-Sample[vout-49])>50)pulsewidth[vout-49]-=10;
elseif((S
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